WD Black NVMe actualizado: ¿de qué es realmente capaz NAND 3D?

Según los estándares del mercado de componentes informáticos, Western Digital comenzó a desarrollar el segmento de unidades de estado sólido relativamente recientemente: si omitimos los primeros intentos en forma de Silicon Edge Blue (2009) y el híbrido WD Black SSHD (2013), entonces el punto de partida puede llamarse el 11 de octubre de 2016, cuando el anuncio línea de unidades SATA WD Green y Blue SSD, y un poco más tarde llegó la SSD WD Black NVMe de alta velocidad, dirigida a los entusiastas. Han pasado 2 años desde entonces. Durante este tiempo, rediseñamos las instalaciones de producción para producir una NAND 3D innovadora, sin una serie de desventajas de la memoria flash plana, y actualizamos la gama de modelos de unidades SSD. La serie Black también ha evolucionado: el 4 de junio de 2018, presentamos la nueva generación de SSD WD Black 3D NVMe. ¿Cuáles son los beneficios proporcionados por la transición a un nuevo proceso de fabricación y en qué se diferencian los dispositivos NVMe de SATA?

Los SSD WD Black 3D NVMe demostraron claramente todas las ventajas de la nueva arquitectura de chips de memoria flash y un controlador rediseñado, lo que permitió aumentar significativamente el rendimiento de las unidades, como se muestra elocuentemente en la tabla a continuación.

Comparación del rendimiento de los SSD WD Black NVMe de la primera y segunda generación en el ejemplo de los modelos de 500 GB

Número de modelo	WDS512G1X0C	WDS500G2X0C
Factor de forma	M.2 2280
Interfaz	PCI Express 3.0 x4 - NVMe
Chips de memoria	SanDisk 15nm 128Gb TLC NAND	SanDisk 64-Layer 256-Gigabit BiCS3 3D TLC NAND
Controlador	Marvell 88SS1093	SanDisk 20-82-007011
Tampón	LPDDR3-1600, 512 MB	DDR4-2400, 512 MB
Velocidad de lectura secuencial, MB / s	2050	3400
Velocidad de escritura secuencial, MB / s	700	2500
Velocidad de lectura aleatoria (bloques de 4 KB), IOPS	170,000	410,000
Velocidad de escritura aleatoria (bloques de 4 KB), IOPS	130,000	330,000
Recurso de grabación, TB	160	300

Como puede ver, la transición al nuevo proceso de fabricación proporcionó casi un 40% de aumento en la productividad en lectura, cuatro veces en grabación y operaciones aleatorias, y la vida laboral de los productos casi se duplicó, lo que, por supuesto, atraerá a los creadores de contenido y jugadores. Por cierto, especialmente para los jugadores más hardcore y aquellos cuyo trabajo está relacionado con el procesamiento de video, lanzamos un buque insignia de terabytes que puede presumir de 500 mil IOPS al leer y 400 000 al escribir.

Los resultados son realmente impresionantes, y la situación con las versiones SATA de unidades de estado sólido es aún más extraña. Seguramente aquellos que siguieron el desarrollo de la tecnología 3D NAND se decepcionaron al leer los números:

• velocidad de lectura secuencial: 560 MB / s frente a 545 anteriores;
• velocidad de escritura secuencial: 530 MB / s frente a 525;
• velocidad de lectura aleatoria: 95,000 IOPS versus 100,000;
• velocidad de escritura aleatoria: 84000 IOPS frente a 80,000.

Es confuso, ¿no? En igualdad de condiciones, en el caso de SATA, el rendimiento se mantuvo casi sin cambios, pero ¿cuál era el punto de modernización entonces? Brevemente: al aumentar el volumen en el factor de forma anterior, así como al aumentar la tolerancia a fallas de las unidades, sobre lo que escribimos en detalle en uno de los materiales anteriores sobre 3D NAND . En cuanto a los indicadores de velocidad, por desgracia, todo depende de las características de la interfaz en sí, que simplemente no permiten revelar todo el potencial de la tecnología. Hablaremos más sobre esto hoy.

Algunas palabras sobre SATA, AHCI y NVMe

Hace mucho tiempo, hace varias décadas, los discos duros de las computadoras personales usaban la interfaz ST-506/412, que recibió su nombre en honor al primer disco duro de 5,25 pulgadas.


El primer disco duro Seagate ST-506 de 5.25 pulgadas

Su característica principal era que la placa HDD contenía solo módulos de control del motor, actuadores y cabezales de interruptores, así como procesamiento analógico; todo lo demás estaba ubicado en el controlador de la PC. Este enfoque fue bastante barato de implementar, pero incluso entonces el ancho de banda de la interfaz fue menor de lo que las primeras computadoras personales podrían proporcionar. Pero en aquellos días no había ningún lugar para apurarse, y en términos de precio y calidad, todo estaba bien para todos.

Sin embargo, el progreso no se detuvo, y las necesidades de los usuarios privados y comerciales crecieron inexorablemente. Ni el rendimiento anterior ni la cantidad de dispositivos (ST-506/412 permitió conectar solo dos discos) no pudieron satisfacer a nadie, y los desarrolladores comenzaron a buscar una alternativa. Así es como surgió ATA, que durante muchos años se convirtió en el estándar para todas las PC, lo que fue facilitado en gran medida por la expansión de ATAPI, que fue esencialmente una implementación del conjunto de estándares SCSI utilizados en servidores de alto rendimiento.

Unos años más tarde, la interfaz paralela se topó con un techo de 133 MB / s. La característica heredada del mencionado ST-506/412 se hizo sentir: un par de dispositivos de disco estaban conectados a un canal, era simplemente imposible nivelar su influencia mutua entre sí. Así que hubo SATA, cuyo rendimiento aumentó a 150 MB / s con la posibilidad de un mayor crecimiento, y gracias al uso de la topología en estrella, cada canal se volvió independiente.

En general, era la topología que era la carta de triunfo, ya que para los discos duros lentos de esa época, incluso mil quinientos megabytes eran redundantes. Para aumentar su rendimiento, era necesario optimizar las solicitudes de lectura / escritura y minimizar el número de movimientos del bloque de la cabeza. Y aquí, justo a tiempo, llegó la Interfaz avanzada de controlador de host (AHCI) con el soporte de la tecnología Native Command Queuing (NCQ), es decir, la configuración de hardware de la secuencia de comandos. Por supuesto, no existe un verdadero paralelismo aquí: aunque el NCQ puede aceptar solicitudes de varias fuentes al mismo tiempo, su posterior reorganización se lleva a cabo dentro de la misma cola, ayudando solo a reducir el número de movimientos de los cabezales de escritura y el período de espera del sector deseado en la pista. Por otro lado, no se requería más, porque la cabeza magnética se puede ubicar en cualquier momento dado justo encima de un cilindro específico.

Con la llegada de las unidades de estado sólido, la situación ha cambiado exactamente lo contrario. Para los SSD, incluso SATA III fue estrecho, y solo el desarrollo de un nuevo protocolo ayudó a marcar la diferencia. Dramáticamente: si AHCI solo admitía una cola con una profundidad de 32 solicitudes, la Interfaz de controlador de host de memoria no volátil (NVMe) introducida en agosto de 2012 pudo procesar 65536 colas con una profundidad de 65536 cada una (es decir, 64K) y usar procesadores multinúcleo. También se agregó la optimización de la demora de interrupción, proporcionando una ganancia de rendimiento de casi medio tiempo.


Comparación de latencia de lectura / escritura entre SAS, SATA y NVMe

Sin embargo, NVMe es solo una herramienta, y por sí solo no podría haber proporcionado resultados tan impresionantes sin el soporte de hardware adecuado.

Libere el potencial: ¿de qué son capaces los nuevos controladores?

Al elegir los controladores para la línea WD Black SSD actualizada, llegamos a una conclusión decepcionante: las soluciones ofrecidas por Marvell, que se utilizaron antes, así como los productos de sus competidores, simplemente no satisfacen nuestras necesidades actuales. El único paso correcto en esta situación fue la creación de nuestros propios microcontroladores, por lo que obtuvimos, en primer lugar, independencia total de los desarrolladores de terceros, y en segundo lugar, la capacidad de optimizar sutilmente la plataforma de hardware para las características de modificaciones específicas del disco.


Las operaciones se distribuyen entre las unidades informáticas.

Así que estaba SanDisk 20-82-007011, que se basaba en un procesador de tres núcleos de 28 nanómetros en el ARM Cortex-R, que ya era significativamente superior en potencia al Marvell Eldora utilizado anteriormente. La principal innovación fue la transferencia de parte de las operaciones procesadas a nivel de programa a unidades informáticas especializadas: estas, por ejemplo, incluyen la lectura de datos de la memoria flash, el procesamiento de comandos NVMe y también la codificación LDPC. Este último, por cierto, se convirtió en tres niveles y adquirió un personaje en capas. En la práctica, esto significa que el algoritmo más adecuado se selecciona en función del grado de desgaste de las celdas de memoria. El nuevo SSD WD Black 3D NAND, recién instalado en la computadora, utilizará una opción ligera de corrección de errores, que se caracteriza por una ejecución rápida y un consumo mínimo de energía. Por el contrario, cuando el recurso de memoria flash llega a su fin, entrarán en juego escenarios más intensivos en recursos que, aunque ralentizan la lectura / escritura, evitarán la pérdida de información valiosa, al tiempo que maximizan la vida útil del SSD.


El escenario ECC se selecciona según el estado de la memoria flash

El controlador en sí es compatible con el último protocolo NVM Express 1.3, mientras implementa 4 líneas PCI-E 3.0, y la información se transmite a través de ocho canales, por lo que no hay problemas con el ancho de banda.

También trabajamos en la eliminación de otro "cuello de botella", cuya función era el caché. Como antes, hay un búfer SLC intermedio aquí, sin embargo, el algoritmo patentado nCache 3.0 ahora ha aprendido a cambiar al modo directo a TLC y escribir datos directamente en la memoria TLC. ¿Qué significa esto? Usted, como antes, aprovecha al máximo el caché de alta velocidad, sin embargo, si el búfer se desborda, no habrá una caída dramática en el rendimiento, ya que la información se descargará directamente en la memoria, evitando el caché. Al mismo tiempo, en modo SLC de alta velocidad, WD Black NVMe muestra una impresionante grabación secuencial de 2.4 GB / s, y la grabación directa en la memoria TLC se lleva a cabo a una velocidad de 840 MB / s, que es más de 2 veces más rápida que la versión anterior. El volumen de caché se mantuvo igual, lo que hizo que el dispositivo fuera más barato.


Dinámica del rendimiento a medida que aparece el caché

Por lo tanto, los SSD WD Black NVMe resultaron ser realmente equilibrados: la plataforma de hardware actualizada complementa idealmente los chips 3D NAND, revelando completamente su potencial. En resumen, tenemos una solución verdaderamente confiable dirigida a aquellos a quienes el marco SATA parece demasiado estrecho, demostrando indicadores de rendimiento decentes y capaces de llegar a la palma con la mayoría de los modelos de referencia en el segmento de consumidores debido a la mejor relación calidad-precio.